KiCad là gì: bộ công cụ thiết kế mạch in mã nguồn mở miễn phí
KiCad là gì? Đây là một bộ công cụ phần mềm mã nguồn mở dành cho tự động hoá thiết kế điện tử (EDA), cho phép người dùng vẽ sơ đồ nguyên lý mạch, bố trí mạch in, xem mô hình 3D và xuất dữ liệu sản xuất. Điểm mạnh nổi bật là nó hoàn toàn miễn phí, mã nguồn mở theo giấy phép GPL, và chạy được trên cả ba nền tảng lớn: Windows, Linux và macOS. Nếu bạn đang tìm phần mềm thiết kế mạch in mà không phải trả tiền bản quyền, KiCad là lựa chọn tiêu chuẩn.
Bài viết này giới thiệu lịch sử phát triển của KiCad, các thành phần chính trong bộ công cụ, định dạng tệp dùng để lưu trữ dự án, và cách kiểm tra giấy phép mã nguồn mở thực sự áp dụng cho từng loại tài nguyên.
Lịch sử từ một dự án cá nhân năm 1992
KiCad được tạo ra năm 1992 bởi Jean-Pierre Charras tại IUT de Grenoble. Điều thú vị là cách đặt tên: chữ “Ki” là chữ cái đầu của công ty “Ki” của một người bạn của Charras, ghép với “Cad” trong cụm từ Computer Aided Design. Đây là một câu chuyện về phần mềm sinh ra từ nhu cầu cá nhân, lớn lên dần theo thời gian và cuối cùng trở thành tiêu chuẩn thực tế cho cả một ngành công nghiệp.
Quá trình trưởng thành của KiCad có hai cột mốc đáng chú ý. Tháng 3 năm 2015, KiCad 4.0.0 phát hành và trở thành bản đầu tiên dùng quy ước đánh phiên bản kiểu point-release. Tháng 11 năm 2019, dự án gia nhập Linux Foundation, đánh dấu bước chuyển từ một dự án do cá nhân dẫn dắt sang một dự án có hạ tầng quản trị rõ ràng hơn.
Một đóng góp đáng chú ý đến từ CERN: nhóm kỹ sư tại CERN BE-CO-HT đóng góp trong khoảng thời gian từ năm 2013 đến khoảng năm 2018, tổng cộng trên 1.400 giờ công sức phát triển, chủ yếu để tái cấu trúc mã nguồn.
Các thành phần chính của bộ công cụ
KiCad không phải một ứng dụng đơn lẻ mà là một bộ công cụ, trong đó mỗi công cụ đảm nhiệm một giai đoạn của quy trình thiết kế mạch. Theo trang giới thiệu chính thức, các chương trình của KiCad xử lý việc bắt sơ đồ nguyên lý và bố trí mạch in, rồi xuất ra dữ liệu theo định dạng Gerber và IPC-2581.
| Công cụ | Chức năng |
|---|---|
| Schematic Editor | Vẽ và chỉnh sửa sơ đồ nguyên lý mạch, kiểm tra lỗi điện (ERC), quản lý thư viện ký hiệu |
| PCB Editor | Đặt linh kiện, định tuyến đường mạch, quản lý lớp đồng, xuất tệp sản xuất |
| 3D Viewer | Xem mô hình 3D của bo mạch đã lắp ráp, kiểm tra va chạm và bố cục không khí |
| Gerber Viewer | Mở và kiểm tra trực quan các tệp Gerber đã xuất trước khi gửi nhà máy |
| Footprint Editor | Thiết kế và chỉnh sửa thư viện footprint của linh kiện |
| Symbol Editor | Thiết kế và chỉnh sửa thư viện ký hiệu điện tử |
Giới hạn kỹ thuật của trình biên tập mạch in
Theo tài liệu chính thức phiên bản 9.0, PCB Editor của KiCad hỗ trợ tối đa 32 lớp đồng, cộng thêm 14 lớp kỹ thuật và 13 lớp vẽ thông thường. Toạ độ nội bộ được lưu bằng số nguyên 32 bit với độ phân giải 1 nanomet, nên kích thước bo mạch lý thuyết tối đa vào khoảng 4 mét nhân 4 mét. Bộ định tuyến tương tác hỗ trợ cả chế độ đẩy và nắm (push-and-shope) lẫn việc cân bằng độ dài và độ lệch cho các cổng tốc độ cao.
Định dạng tệp của một dự án
KiCad hiện đại không lưu toàn bộ dự án trong một tệp duy nhất mà chia nhỏ thành nhiều tệp có phần mở rộng rõ ràng. Một dự án mới sẽ tạo ra ba tệp cơ bản: tệp dự án, tệp sơ đồ nguyên lý chính và tệp mạch in.
| Phần mở rộng | Loại tệp |
|---|---|
| .kicad_pro | Tệp dự án, lưu cấu hình toàn cục |
| .kicad_sch | Tệp sơ đồ nguyên lý, mỗi trang một tệp riêng |
| .kicad_pcb | Tệp mạch in |
| .kicad_sym | Tệp thư viện ký hiệu |
| .kicad_mod | Tệp footprint của một linh kiện |
| .kicad_prl | Tệp cục bộ của dự án |
Cấu trúc thư mục thư viện footprint dùng đuôi .pretty, bên trong chứa các tệp .kicad_mod. Bản phân tích này dùng các chuẩn hiện hành: bản 6 chuyển tệp sơ đồ, thư viện và tệp dự án sang định dạng S-expression, trong khi tệp mạch in đã dùng định dạng này từ bản 4.
Kiểm tra giấy phép mã nguồn mở: đừng hiểu nhầm
Đây là điểm nhiều người viết sai. Trang giấy phép chính thức của KiCad quy định khác nhau cho từng loại tài nguyên:
- Mã nguồn chương trình: theo giấy phép GNU GPL phiên bản 3 trở lên.
- Tài liệu: GPL phiên bản 3 trở lên, hoặc CC BY 3.0 trở lên.
- Các thư viện linh kiện và footprint: theo giấy phép CC BY-SA 4.0.
Nói cách khác, mã nguồn KiCad là GPL-3.0 chứ không phải GPL phiên bản 2. Nếu bạn định sử dụng hoặc phân phối lại thư viện linh kiện của KiCad, bạn phải tuân thủ CC BY-SA 4.0 với yêu cầu chia sẻ ngược, chứ không phải GPL. Tệp giấy phép GPL-3.0 nằm trong kho mã nguồn chính thức với tên LICENSE.GPLv3, còn tệp giấy phép CC BY-SA 4.0 cho thư viện có tên riêng.
Quy mô thư viện đi kèm
Đếm trực tiếp từ kho chính thức cho thấy quy mô thư viện khá lớn, và con số này còn tiếp tục tăng:
- 155 thư mục thư viện footprint với đuôi
.pretty - 232 thư viện ký hiệu dạng thư mục
.kicad_symdir - 105 thư mục mô hình 3D dạng
.3dshapes
Định dạng xuất cho nhà máy
PCB Editor hỗ trợ xuất ra nhiều định dạng: Gerber, IPC-2581, ODB++, GenCAD, PDF, SVG và HPGL. Riêng khi xuất phần mô hình ba chiều, KiCad hỗ trợ STEP, GLB, BREP, XAO, PLY, STL, IDF và VRML.
Điểm đáng chú ý về Gerber: KiCad là ứng dụng EDA đầu tiên hỗ trợ đầy đủ phần mở rộng Gerber X2, cho phép gắn thông tin netlist và các thuộc tính mở rộng vào chính tệp Gerber. Tính năng này được công bố trong bài viết chính thức của dự án và được đưa vào bản phát hành KiCad 5. Có tùy chọn “Use extended X2 format” trong PCB Editor, kèm tệp Gerber job lưu thông tin lớp vật lý, vật liệu và hoàn thiện bề mặt.
Yêu cầu hệ thống tối thiểu
Trang hỗ trợ chính thức liệt kê yêu cầu khá nhẹ: bộ xử lý 64 bit của Intel hoặc AMD, hoặc các kiến trúc 64 bit khác như PowerPC, ARM, MIPS, Loongson và RISC-V. Yêu cầu RAM là 1 GB, khuyến nghị trên 2 GB. Màn hình tối thiểu 1280×1024, khuyến nghị 1920×1080 trở lên, và cần hỗ trợ OpenGL 2.1 trở lên.
Trang tải về cung cấp bản dựng sẵn cho Windows, macOS và Linux, đồng thời có tùy chọn cài đặt từ mã nguồn. Tài liệu hướng dẫn chi tiết nằm tại cổng tài liệu chính thức, còn mã nguồn được phát triển công khai trên GitLab. Nếu mới bắt đầu, hãy đọc phần hướng dẫn làm quen tại trang bắt đầu với KiCad, kèm tổng quan về bộ công cụ tại trang giới thiệu chính thức.
